In den letzten Jahren kam es zu Dürren erhebliche Minderungen des Ernteertrags, und Prognosen deuten darauf hin, dass Dürren in Zukunft in vielen Regionen häufiger und schwerwiegender werden werden.

A Studie von Liming Xiong und Kollegen betonten, dass der Fortschritt bei der Verbesserung der Dürretoleranz von Nutzpflanzen sowohl durch traditionelle Züchtungsmethoden als auch durch moderne genetische Ansätze durch das schleppende Tempo bei der Aufdeckung der komplexen Prozesse, die der Dürretoleranz zugrunde liegen, behindert wurde. Dies liegt daran, dass Dürretoleranz ein sehr komplexes Merkmal ist und Pflanzen viele Möglichkeiten haben, auf Dürre zu reagieren.

Darüber hinaus werden die Auswirkungen der Dürre auf Pflanzen durch verschiedene Faktoren beeinflusst, darunter Intensität, Häufigkeit, Dauer und Zeitpunkt. Beispielsweise kann Dürre den größten Schaden anrichten, wenn sie in kritischen Phasen der Pflanzenentwicklung auftritt, beispielsweise nach der Aussaat oder während blühend.

Durch den Einsatz von Computermodellen können Wissenschaftler die Wechselwirkungen zwischen diesen Prozessen entwirren und Einblicke in die Ursachen geringerer Erträge gewinnen. Diese wertvollen Informationen können dann genutzt werden, um die schädlichen Auswirkungen der Dürre zu mildern, indem Managementpraktiken gesteuert oder die Entwicklung dürretoleranter Pflanzen gefördert werden.

Mona Giraud, Doktorandin am Forschungszentrum Jülich, und Kollegen präsentieren die neueste Implementierung von CPlantBox, einem benutzerfreundlichen Modell, das die Auswirkungen von Dürre auf Pflanzen simulieren kann in silico Asphaltmischanlagen. CPlantBox ist ein dreidimensionales funktionelles Strukturpflanzenmodell (3D FSPM) zuerst vorgestellt im Jahr 2020 von Xiao-Ran Zhou und Kollegen. Es ist in der Lage, Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie die dynamische Bewegung von Wasser und Kohlenstoff zwischen dem Boden, einer wachsenden Pflanze und der Atmosphäre zu simulieren.

Die neue Version von CPlantBox erweitert diese Möglichkeiten. Durch die Einbindung zusätzlicher Module können physiologische und physikalische Prozesse besser abgebildet werden. Zum Beispiel,

  • eine Erweiterung des analytischen Wasserflussmoduls auf die gesamte Pflanze und nicht nur auf die Wurzel;
  • Einbeziehung des Bodenwasserflusses, statt diese Variable außer Acht zu lassen; Und
  • Einbeziehung gekoppelter Module aus Photosynthese, Transpiration und stomataler Regulierung, anstatt den Einfluss ihrer dynamischen Werte auf den Kohlenstoff- und Wasserfluss zu vernachlässigen.
Auf der linken Seite ist ein Diagramm der Module der früheren Version von CPlantBox zu sehen, das eine weiche Kopplung zwischen PiafMunch und CPlantBox zeigt. Auf der rechten Seite ist ein Diagramm der Module der aktualisierten CPlantBox zu sehen, das eine enge Kopplung zwischen PiafMunch und CPlantBox zeigt.
Darstellung von (A) der früheren und (B) der aktuellen Version von CPlantBox.

Durch die Veränderung der Abhängigkeiten zwischen den Modulen erreicht es eine höhere Rechengeschwindigkeit und erfasst die dynamischen Prozesse einer wachsenden Pflanze besser. Bisher gab es eine weiche Kopplung zwischen dem mechanistischen Modell des Wasser- und Kohlenstoffflusses und dem Modell, das Wachstum und Entwicklung einer Pflanze simuliert. Dies bedeutet, dass die Ausgabe des Modells des Wasser- und Kohlenstoffflusses am Ende seiner Simulation als Eingabe für das Wachstums- und Entwicklungsmodell verwendet wurde. Das Update verfügt über einen engen Kopplungsmechanismus, der es dem Modell des Wasser- und Kohlenstoffflusses ermöglicht, für jeden Zeitschritt Ausgabedaten als Eingabe für das Wachstums- und Entwicklungsmodell bereitzustellen.

3D-Darstellung der virtuellen Anlagen, die am Ende der Simulation einem Basisszenario, einer frühen Trockenperiode oder einer späten Trockenperiode ausgesetzt sind. Jedes Segment ist entsprechend seiner Saccharosekonzentration gefärbt.

Um das Modell zu testen, simulierten die Autoren das Wachstum von Pflanzen, die in verschiedenen Entwicklungsstadien Dürrebedingungen ausgesetzt waren. Das Modell berechnete erfolgreich die Reaktionen von Variablen wie dem Xylem-Wasserpotential, der Phloem-Saccharose-Konzentration und der Kohlenstoffverteilung in kleinen Zeitintervallen für eine Pflanze mit komplexer Architektur. Der Grad der Übereinstimmung zwischen den simulierten Ergebnissen und der vorhandenen Literatur war jedoch unterschiedlich.

Nichtsdestotrotz bleiben die Autoren entschlossen – sie glauben, dass etwaige Diskrepanzen zwischen ihrem Modell und anderen beobachteten oder simulierten Ergebnissen wertvoll sind, weil sie wertvolle Einblicke in die grundlegenden Prozesse liefern, die daran beteiligt sind, wie Pflanzen auf Dürre reagieren.

In zukünftigen Arbeiten möchten die Autoren zusätzliche Kalibrierungs- und Parameterdaten in das Modell integrieren, um die Vorhersagen von CPlantBox zu verbessern.

DER ARTIKEL::

Mona Giraud und andere, CPlantBox: eine vollständig gekoppelte Modellierungsplattform für die Wasser- und Kohlenstoffflüsse im Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum, in silico Plants, 2023;, diad009, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad009

Dieser Artikel ist Teil der Funktionelles strukturelles Anlagenmodell Sonderausgabe.

Der zum Ausführen der Simulationen verwendete CPlantBox-Code ist unter verfügbar https://github.com/Plant-Root-Soil-Interactions-CPlantBox/releases/tag/v2.0. Alle Dateien, die zum Ausführen der Simulationen und zum Plotten der Ergebnisse verwendet werden, sind ebenfalls verfügbar Zenodo.